关于机载实况摄录传输系统中视频图像数据处理系统的设计∗

2018-11-26乔文长田向阳

舰船电子工程 2018年11期

乔文长田向阳

（91388部队94分队湛江 524002）

1 引言

目前各类试验的数据处理主要分为事后数据处理、实时数据处理和视频图像数据处理三大类。由于多种因素的影响，试验中视频图像数据处理比较薄弱，视频图像数据处理、使用和管理仍处于原始阶段，随着实验任务需求不断增加，视频图像信息越来越多，作用越来越大，对视频图像信息的质量要求越来越高。因此，结合试验需求，通过对试验视频图像数据处理可以有效提高试验视频图像信息的可用度。

2 试验视频图像信息现状分析

2.1 试验视频图像信息分类

虽然试验视频图像信息很多，但是可以按照视频图像使用特性对试验视频图像信息分类。

1）红外光学电影经纬仪。红外光学电影经纬仪录取的试验视频图像信息有两种，一种为光学视频图像信息，另一种为红外视频。光学视频图像用于观测被试品飞行初段的工作状况，红外视频图像用于实时定性分析被试品飞行状态。并通过该设备提供的方位角和俯仰角计算被试品飞行初段的运行参数［1］。

2）水下微光设备。水下微光设备拍摄的为光学视频图像信息。主要用于观测被试品发射平台是否按照试验程序正常开启、关闭以及被试品出筒情况，便于指挥员按照试验进程对试验进行指挥。

3）图像声纳。图像声纳设备安装在被试品发射平台上，获取水下视频信息。在此基础上计算被试品水中段运行参数。

4）摄像机。不同类型的摄像机分布设在被试品发射区域，拍摄的视频信息主要用于观测被试品飞行状态，指挥员能更直观掌握被试品出水以及初段飞行的实况。

2.2 影响试验视频图像信息质量因素分析

影响试验视频图像信息质量除了录取设备传感器自身质量因素外，主要有以下几点：

1）海上能见度。气象对红外光学电影经纬仪和摄像设备的视频图像质量影响很大。以往为了满足图像质量需求，对海上能见度的要求≥15km。但试验任务时往往达不到要求，由于能见度低，光学拍摄的视频信息非常模糊，很难分辨出被试品飞行的状况。

2）摄像平台。由于海情、海况等因素影响，造成摄像平台不稳定，摄取的图像发生扭曲变形，影响技术人员对被试品出水姿态的分析。

3）信息传输。视频图像信息通过微波长距离传输受环境条件的影响［2］，造成信号衰减并且在图像中叠加了大量的噪声，直接影响视频图像显示效果。

3 视频图像信息处理系统分析

3.1 系统任务分析及处理思路

1）系统任务分析。被试品飞行试验视频图像信息处理系统承担的任务可归纳为，一是对各类视频图像信息进行增强、还原等处理，提高图像视感质量；二是对图像压缩处理［3］，便于存储管理；三是将处理后的视频图像进行实时的连续显示，提高显示效果；四是对原始视频图像和处理后的视频图像进行分类存储；五是提供视频图像信息查询、增加、删改等数据库管理手段。

2）视频图像信息处理基本思路。根据任务需求可以确定视频图像处理的基本思路。首选选择合适试验视频图像处理方法，建立图像实时处理数学模型，采用并行算法和可视化编程技术将已建立的数学模型研发为图像实时处理软件系统。利用图像采集可将连续视频图像信息，分解为多幅单张图片，由图像实时处理软件系统对每幅图片自动进行实时处理，然后采用合成演示的方法，最后实现视频图像实时连续处理和显示功能。采用大型数据库对原始和处理后的视频图像信息进行存储，提供查询、增加、删改等数据库管理手段。

3.2 视频图像信息处理平台建立基本原则

1）实用性。视频图像信息处理平台主要功能分为两大部分，一部分为视频图像处理，另一部分为视频图像存储管理。视频图像处理对象要涵盖实验任务所有的视频图像信息，对不同的视频图像可以采用不同的处理方法，并提供相应的操作菜单进行分类处理控制。视频图像存储管理首选将图像信息分类压缩处理［4］，然后利用大型数据库系统进行管理，便于保密授权和搜索查询等管理。

2）实时性。试验视频图像信息处理后，需要在指控中心进行实时显示。因此，信息的采样、处理以及信息还原等环节设计要充分考虑其实时性，处理的模块不能过于复杂，另外，视频信息查询时间也要有相应的限制，在数据库设计要完成实时性指标。根据实验需求，其技术指标：信息采集频率：25Hz；图像处理周期：40ms；图像处理时延：≤ 2s；普通查询时延：≤5s；组合查询时延：≤50s。

3）扩展性。随着试验需求的不断增加，视频图像信息将会越来越多，在系统时要充分考虑系统的可扩充性。依托试验IP网络，采用IP协议和分组交换技术［5］，建立适应实验任务的、视频图像处理需求的网络系统。

4）可靠性。视频图像处理系统的使命之一是进行视频图像实时处理与显示，必须具备与指控中心其他设备相同的可靠性，才能不影响试验任务的顺利进行。因此，其平均故障间隔时间应为MTBF≥1000h；平均故障修复时间应为MTTR≤0.5h。

3.3 提高视频图像质量的基本处理方法

针对被试品飞行试验视频图像质量不高影响试验指挥决策等问题，需要对试验视频图像进行综合数据处理，即对视频图像进行图像增强、复原、编码、压缩等处理。

1）图像变换。在图像处理过程中采用傅里叶变换、沃尔什变换、离散余弦变换［6］等间接处理技术，将空间域的处理转换为变换域处理，不仅可以减少计算量，还可以获得更有效的处理［7］。

2）图像编码压缩。采用图像压缩国际标准的JPEG和MPEG对图像进行压缩处理。Windows为用户设计两种图像压缩方法，一种为16色图像提供RLE4压缩方法；一种为256色图像提供RLE8的压缩方法。

3）图像增强和复原。为了改善图像的视觉效果，提高图像的清晰度以及使图像变得有利于计算机计算处理，采用空间域方法和变换域方法对图像进行增强处理［8］；再根据降质过程建立“降质模型”，采用滤波方法［9］，回复或重建原来的图像。

4）图像分割。虽然目前已经研究出不少边缘提取、区域分割的方法［10］，但是还没有一种普遍适用于各种图像的有效方法。因此，对不同的视频图像采取边缘［11］、区域等综合图像分割方法，完成飞行器试验中众多种类的图像处理。

5）图像识别。图像识别属于模式识别的范畴，其主要内容是图像经过某些预处理（增强、复原、压缩）后，进行图像分割和特征提取，采用模糊模式识别或人工神经网络模式进行识别［12］。

4 视频图像信息系统设计

4.1 系统组成

系统的规模可根据视频处理的任务而定。一个基本的视频图像处理系统至少需要一台视频信息采集工作站，包含视频采集卡，用于视频图像信息采集，一台图形工作站（3D图像加速卡）用于视频图像处理，一台网络交换机用于连接内外部设备和信息交换，一套信息存储管理系统用于图像信息存储管理，以及部分专用图像处理软件和研制的图像实时处理软件系统等构成。系统拓扑结构如图1。